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第四章 光及其應用
第7節(jié) 激光
激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準的尺” “最亮的光”和“奇異的光”.激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術(shù)獲得了新生，而且促使一些新興產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。
1.理解激光的產(chǎn)生原理。
2.了解激光的特性。
3.了解激光的應用。
一、激光的產(chǎn)生
1.普通光源
物質(zhì)中的原子受到激發(fā)以后，原子能量增加，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，要向低能量狀態(tài)躍遷。在向低能量狀態(tài)躍遷的過程中，會發(fā)出光子。
普通光源，例如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。
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普通光源產(chǎn)生的光是非相干光。
2.激光
由人工的方法獲得的頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光。
產(chǎn)生原理：受激輻射發(fā)出的光。
工作物質(zhì)——發(fā)光材料。
激勵源——提供能量。
原子從穩(wěn)定的低能量狀態(tài)激發(fā)到不穩(wěn)定的較高能量狀態(tài)。處于不穩(wěn)定的較高能量狀態(tài)的原子在返回低能量穩(wěn)定態(tài)時，就會放出光子。
(1)單色性好:普通光源發(fā)射的光,通常包含各種不同頻率的光,因而包含有各種顏色.而激光發(fā)射的光譜寬度很窄,因此激光是單色產(chǎn)生很好的光源.
(2)相干性好:普通光通常是非相干光,激光是相干光束,它為我們提供了很好的相干光源.
(3)平行度好:激光束的發(fā)散角很小,方向性很強,激光光束的能量在空間高度集中,不容易發(fā)散,例如激光從地球照射到月球上形成的光斑直徑僅約1 km.
(4)亮度高:激光的亮度可比普通光源高出1012~1019倍,是目前最亮的光源,強激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫.
二、激光的特性
三、激光的應用
1.激光通信
激光通信
激光在光導纖維中傳送
原理：（1）亮度高：保證長距離傳輸，仍具有足夠的亮度，表面攜帶信號強；
（2）單向性好：在光導纖維中全反射傳輸，信號不丟失，具有高度保密性；
2.激光測距
良好的平行度使激光在雷達上用于測量距離和跟蹤目標。雷達對準目標發(fā)出一個極短的激光脈沖,通過測量從發(fā)射脈沖到接收回波的時間,即可算出目標的距離。同時根據(jù)多普勒效應,還可以測出目標的運動速度和運動方位
激光測距
3.激光加工、激光醫(yī)學和激光武器
激光切割
激光焊接
激光治療近視
激光手術(shù)
激光祛斑
激光武器
4.激光預測天氣預報
激光還用來測量大氣中水蒸氣的飽和程度,可以準確預告降雨量,從而預報洪澇災害,以便采取應對措施
5.激光保鮮
生物大分子在激光和強電磁場的刺激、誘變作用下,改變了細胞的電學性質(zhì),改變了細胞膜的電位,從而產(chǎn)生生物電流,影響生化反應,抑制或延緩細胞的新陳代謝及呼吸作用,抑制乙烯過量產(chǎn)生，從而達到延長保鮮期的目的
6. 全息照相
如果能夠把物體各點發(fā)出的光波的振幅與相位同時記錄下來(全息記錄),并使之再現(xiàn)(全息再現(xiàn)),則當這些光波被人眼接收時,眼中的圖像將和直接觀看物體一樣是三維的。這種能同時記錄振幅與相位的照相叫作全息照相。
全息照相利用了激光的相干性、平行度好和亮度高的特點。
參考光
照相底片
反射光
物光
物
全息照相的原理如下：
1.全息記錄
照相的光源是激光束，把激光束分成兩束：直接照射到底片上的叫參考光；另一部分經(jīng)物體表面散射的光也照射到照相底片，稱為物光。
參考光和物光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉，底片上記錄兩束光疊加后明暗相間的干涉圖像。
2.全息再現(xiàn)
若用肉眼去看全息照片，那么只能看到一些干涉的條紋。
要用與參考光頻率相同的激光照射全息照片，這束光叫做再現(xiàn)光。用再現(xiàn)光照射全息照片，人眼透過照片就可以在另一側(cè)看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像。
再現(xiàn)光
全息照片
人眼
1. 對于激光的認識，下列說法正確的是（　　）
A．激光是自然光被放大而產(chǎn)生的
B．激光是原子受激輻射而得到的加強光
C．激光的能量一定大于其他光的能量
D．激光的傳播速度比普通光的傳播速度大
B
2. 最近幾年，激光因其多種獨特屬性被廣泛應用到工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事等領(lǐng)域中。關(guān)于激光，下列說法正確的是（　　）
A．激光平行度好，可以用來測量月球到地球的距離
B．激光相干性好，任何兩束激光都能發(fā)生干涉
C．激光是人工制造的，是原子受激輻射的光，不是偏振光
D．激光全息照相是利用光的干涉記錄物體三維圖像的信息
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3. 關(guān)于激光的應用問題，下列說法不正確的是（　　）
A．用激光實現(xiàn)熱核反應
B．激光測距雷達利用了激光相干度好的特點
C．醫(yī)學上可以用激光做“光刀”是由于激光亮度高
D．用激光讀取DVD光盤上的信息利用了激光有平行性好的特點
B
4. 下列說法正確的是（ 　　）
A．全息照相技術(shù)應用了光的衍射原理
B．陽光照射下，肥皂膜呈彩色是光的干涉現(xiàn)象
C．2008年汶川發(fā)生特大地震，地震波既有縱波又有橫波，地震波的縱波波速大于橫波波速，此性質(zhì)可用于橫波的預警
D．光導纖維通信應用了光的折射原理
E．光發(fā)生折射是因為光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同
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2. 激光的特性
單色性好；相干性好；平行度好；亮度高
3. 激光的應用
激光通信、激光加工、激光測距、技工醫(yī)學、激光武器和激光成像等。
1. 激光的產(chǎn)生
由人工的方法獲得的頻率相同、相位差恒定、偏振方向一致的相干光

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